某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化仿真分析

袁曉軍 ，吳相承 ，曾小春 ，曹 輝 ，王功成 ，張卓颯

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 336000）

隨著雙碳政策的提出、國六排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求更加苛刻，需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、發(fā)動(dòng)機(jī)升功率和排放水平。其中很重要的一點(diǎn)就是增加爆壓與提高燃燒溫度，燃燒溫度的提高會(huì)導(dǎo)致缸體缸蓋在工作過程中的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷也越來越高[1]；爆壓的增加會(huì)導(dǎo)致軸承摩擦加大、功率提高，造成缸內(nèi)熱量增加，活塞熱負(fù)荷增加最大。由于之前活塞冷卻在底部，活塞本體沒有內(nèi)部冷卻通道，因此冷卻效果不良。此外，若機(jī)油過冷卻，機(jī)油溫度偏低，機(jī)油黏度大，易導(dǎo)致軸承摩擦加大[2]，油耗惡化；若機(jī)油冷卻不足，機(jī)油溫度偏高，機(jī)油黏度小，同時(shí)可能裂化，導(dǎo)致軸承磨損[3]。因此，需要科學(xué)合理地設(shè)計(jì)機(jī)油冷卻系統(tǒng)，將機(jī)油溫度控制在一定范圍。基于此，本研究增加了活塞內(nèi)冷油道，通過PCJ（活塞冷卻噴嘴）技術(shù)冷卻機(jī)油，同時(shí)利用仿真技術(shù)分析研究影響冷卻系統(tǒng)機(jī)油溫度的參數(shù)以及降低溫度的途徑。

1 冷卻系統(tǒng)分析

1.1 原因分析

本項(xiàng)目先從源頭上梳理機(jī)油溫度升高的原因，是由于該項(xiàng)目提高了升功率，同時(shí)為了保證鋁活塞的可靠性，增加了活塞內(nèi)部冷卻油道以降低活塞溫度。活塞冷卻從底部機(jī)油冷卻升級(jí)為通過活塞內(nèi)冷油道冷卻，由于冷卻通道的變化，活塞溫度明顯降低，同時(shí)傳給機(jī)油的熱量增加，從而導(dǎo)致機(jī)油溫度升高。為了降低機(jī)油溫度，必須提高機(jī)油冷卻器的散熱量，而提高散熱量有3 種途徑，分別是增加機(jī)油流量、增加水的流量、提高換熱器的換熱能力。

1.2 理論研究

通過研究換熱理論，換熱主要取決于換熱面積、傳熱系數(shù)、機(jī)油溫度及冷卻液溫度，如式（1）所示：

式中，Φ為傳熱熱流量，單位W；A為換熱面積，單位m2；tf1為機(jī)油溫度，單位℃；tf2為冷卻液溫度，單位℃；k為傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·℃）。

傳熱系數(shù)k的倒數(shù)也就是熱阻1/k，熱阻由水側(cè)換熱熱阻、換熱片熱阻及機(jī)油側(cè)換熱熱阻3 部分構(gòu)成，如式（2）所示：

式中，1/h1為水側(cè)換熱熱阻，h1為水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，換熱系數(shù)正比于流速的0.8 次方[4]：h∝v0.8；δ/λ為換熱片熱阻，δ為換熱片厚度，λ為換熱片導(dǎo)熱率，由材料本體導(dǎo)熱性能決定；1/h2為機(jī)油側(cè)換熱熱阻，h2為機(jī)油側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)。

1.3 技術(shù)路線

鋼導(dǎo)熱系數(shù)為43 W/（m2·℃），鋁導(dǎo)熱系數(shù)為236 W/（m2·℃），鋁導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的5 倍多。由于換熱器的水道、油道內(nèi)部有換熱翅片，因此解析法不好計(jì)算換熱[5]。本文采用基于冷卻器的換熱MAP 試驗(yàn)數(shù)據(jù)搭建3 個(gè)模型，分別為搭建冷卻系統(tǒng)模型計(jì)算水流量、搭建潤滑系統(tǒng)1D 模型計(jì)算機(jī)油流量、搭建機(jī)油冷卻器換熱模型計(jì)算機(jī)油溫度[6]。

對(duì)模型和測試對(duì)標(biāo)，主要對(duì)標(biāo)機(jī)油冷卻器水流量、機(jī)油流量、機(jī)油冷卻器散熱量3 個(gè)主要參數(shù)。基于以上3 個(gè)參數(shù)，建立包含機(jī)油冷卻器、機(jī)油流量、水流量的局部冷卻系統(tǒng)1D 換熱模型，對(duì)多方案進(jìn)行機(jī)油溫度的計(jì)算，對(duì)影響機(jī)油溫度的各參數(shù)（機(jī)油流量、水流量、鋼換熱片導(dǎo)熱系數(shù)、鋁換熱片導(dǎo)熱系數(shù)）進(jìn)行敏感性分析，并根據(jù)方案計(jì)算結(jié)果，最終做試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 數(shù)值仿真

主要針對(duì)冷卻系統(tǒng)的水流量、潤滑系統(tǒng)機(jī)油流量、機(jī)油冷卻器換熱模型3 部分內(nèi)容進(jìn)行分析，模型中需要組合以上3部分內(nèi)容。

2.1 冷卻系統(tǒng)1D模型搭建

建立冷卻系統(tǒng)的1D 仿真模型[7]，搭建模型的目的是計(jì)算機(jī)油冷卻器的水流量，模型包括輸入水泵額定點(diǎn)的流量揚(yáng)程曲線以及缸體缸蓋水套、節(jié)溫器、散熱器等的壓降曲線，冷卻系統(tǒng)布置如圖1 所示。額度點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，機(jī)油冷卻器水流量為25 L/min。

圖1 冷卻系統(tǒng)布置圖

2.2 潤滑系統(tǒng)1D模型搭建

搭建潤滑系統(tǒng)1D 模型的目的是計(jì)算機(jī)油冷卻器的機(jī)油流量，模型包括機(jī)油泵性能曲線、各部件壓降、軸承泄漏量、機(jī)油黏度特性等。額度點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，機(jī)油冷卻器機(jī)油流量為35 L/min。

2.3 機(jī)油冷卻器換熱模型搭建

換熱模型搭建是本文最關(guān)鍵的部分，由于機(jī)油換熱的變化對(duì)水溫影響很小，為了簡化模型，認(rèn)為水溫保持不變。本項(xiàng)目主要是計(jì)算機(jī)油溫度[8]，因此需要設(shè)定潤滑系統(tǒng)的發(fā)熱量，發(fā)熱量通過水流量前后溫差7 ℃、流量25 L/min得到，熱量為：

式中，m為體積流量；ρ為密度；CP為定壓比熱容；ΔT為水流量前后溫差。

因此，給定潤滑系統(tǒng)熱源10.6 kW，設(shè)定機(jī)油泵的流量為35 L/min。最后，在機(jī)油冷卻器中換熱，機(jī)油溫度降低，達(dá)到平衡。

水側(cè)設(shè)置水流量25 L/min，水溫100 ℃；機(jī)油側(cè)設(shè)置機(jī)油流量35 L/min，潤滑系統(tǒng)發(fā)熱量10.6 kW。

輸入機(jī)油冷卻器換熱MAP 試驗(yàn)數(shù)據(jù)：在零部件臺(tái)架對(duì)不同機(jī)油冷卻器進(jìn)行散熱MAP 測試，零部件臺(tái)架試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)不同水流量、機(jī)油流量，得到不同機(jī)油冷卻器在不同機(jī)油流量、不同水流量下的散熱MAP，并最終計(jì)算機(jī)油溫度。

3 分析方案及結(jié)果

3.1 原因分析

機(jī)油的散熱主要通過兩部分，一部分通過油底殼的表面輻射，這一部分的熱量不好模擬，而且機(jī)油溫度在10 ℃以內(nèi)的變化對(duì)輻射影響可以忽略[9]，因此本方案認(rèn)為優(yōu)化前后輻射沒有變化，只考慮通過機(jī)油冷卻器散掉的熱量。機(jī)油溫度高的原因主要是機(jī)油冷卻器的散熱量不夠，而散熱量不夠主要是傳熱熱阻大，只有把水、機(jī)油溫差加大，才可以達(dá)到散熱的目的，因此主要措施是降低傳熱熱阻。熱阻主要由機(jī)油側(cè)流動(dòng)過程的換熱熱阻、水側(cè)流動(dòng)過程的換熱熱阻、鋼材本身導(dǎo)熱熱阻3 部分組成，這3 部分熱阻對(duì)系統(tǒng)有一定的敏感性，而且是非線性的。

3.2 方案概述

基于以上原因，需要對(duì)機(jī)油冷卻器換熱模型進(jìn)行一些驗(yàn)證，因此設(shè)置了以下5個(gè)方案[9]。

方案Base：冷卻器散熱量10.6 kW，冷卻水溫度100 ℃，進(jìn)水流量25 L/min，進(jìn)油流量35 L/min，9片鋼機(jī)油冷卻器。

方案1：水、機(jī)油流量增加10%，水流量28 L/min、機(jī)油流量39 L/min，通過增加流速，增加水側(cè)、機(jī)油側(cè)的換熱系數(shù)，增加換熱量，降低機(jī)油溫度。

方案2：更改為12 片鋼機(jī)油冷卻器，基礎(chǔ)方案為9 片鋼機(jī)油冷卻器，通過增加散熱面積，加大散熱量，降低機(jī)油溫度。為了保證變量的單一性，因此水、機(jī)油保持流量不變。

方案3：在方案2 的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加散熱，更改為12 片鋼機(jī)油冷卻器，水、機(jī)油流量增加10%，水流量28 L/min、機(jī)油流量39 L/min。

方案4：更改為10 片鋁散熱器，由于鋁導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的5 倍多，通過降低導(dǎo)熱熱阻，增加換熱，降低機(jī)油溫度，同時(shí)考慮到水泵、機(jī)油泵流量的增加會(huì)惡化油耗，因此水、機(jī)油流量不變。

3.3 測試結(jié)果

工況確定：模擬額度點(diǎn)2 800 r/min、90 kW 工況下，機(jī)油冷卻器水溫度100 ℃（該溫度是為了滿足缸體缸蓋可靠性，避免出現(xiàn)沸騰的最高溫度）通過臺(tái)架冷卻系統(tǒng)。為了保證模型的準(zhǔn)確性，通過測試?yán)鋮s水進(jìn)出水溫度差和水流量，得到冷卻器散熱量為10.6 kW，固定機(jī)油冷卻器進(jìn)水溫100 ℃，不同方案機(jī)油溫度計(jì)算結(jié)果如表1 所示。135 ℃是機(jī)油各項(xiàng)性能惡化的一個(gè)參考溫度，因此以135 ℃作為標(biāo)準(zhǔn)[1]。從計(jì)算結(jié)果可知，只有方案4 滿足機(jī)油溫度小于135 ℃的要求，其余都由于散熱量不足導(dǎo)致機(jī)油溫度超出135℃，不滿足要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)對(duì)比

針對(duì)方案3、4 的機(jī)油溫度計(jì)算和測試對(duì)比做臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。計(jì)算結(jié)果誤差在3 ℃左右，計(jì)算結(jié)果可信。

表2 方案3、4機(jī)油溫度計(jì)算和測試對(duì)比

4.2 不同方案原因分析

方案1 機(jī)油溫度141 ℃，說明水、機(jī)油流量的增加對(duì)換熱系數(shù)影響很小，熱阻沒有得到明顯改善，因此溫度高，原因是流體熱阻不是主要部分，熱阻主要是鋼材部分的傳熱熱阻。

方案2 機(jī)油溫度140 ℃，說明只增加換熱片數(shù)對(duì)散熱影響很小，熱阻沒有得到明顯改善，因此溫度高，說明雖然換熱面積增加了，但效果還是不明顯。原因是雖然增加了換熱面積，但隨著換熱通道的增加，單通道流速降低，單塊換熱片的換熱能力下降。

方案3 機(jī)油溫度138 ℃，說明水、機(jī)油流量的增加及換熱片數(shù)的增加對(duì)換熱系數(shù)影響很小，熱阻沒有得到明顯改善，因此溫度高。

方案4 機(jī)油溫度125 ℃，說明影響換熱最大的熱阻在于鋼，換成鋁后，熱阻降低，換熱增強(qiáng)，機(jī)油溫度符合要求。

5 結(jié)論

本研究通過簡化復(fù)雜的工程問題，將復(fù)雜的潤滑系統(tǒng)熱量簡化為單一熱源，建立了簡單的機(jī)油冷卻器換熱模型，并對(duì)影響機(jī)油溫度的各參數(shù)（機(jī)油流量、水流量、鋼換熱片導(dǎo)熱系數(shù)、鋁換熱片導(dǎo)熱系數(shù)）進(jìn)行了敏感性分析[10]。對(duì)于臺(tái)架機(jī)油溫度偏高的問題，快速給出多個(gè)優(yōu)化方案，再計(jì)算不同優(yōu)化方案的機(jī)油溫度，選取兩個(gè)方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了機(jī)油溫度偏高的問題。